Elementarni ugljenik ima više alotropskih modifikacija.
Dijamant je prozirna kristalna modifikacija, bez boje, velike tvrdoće, visoke tačke topljenja.
Grafit je sivo-crn, ima metalni sjaj. Zbog slojevite strukture lako se otire. Dobar je provodnik toplote i elektriciteta. Grafit je ujedno i najstabilnija modifikacija ugljenika. To se vidi po tome što, ako se dijamant zagreje u odsustvu vazduha na temperaturu preko 1500 stepeni, prelazi u grafit.
Treća modifikacija je prvo otkrivena u Svemirskoj prašini, a tek kasnije je 1985. godine dobijena na Zemlji u električnom luku sa ugljeničnim elektrodama. Nazvana je po arhiketkti Bekminster Fuleru koji je projektovao kupole neobičnog oblika.
Fuleren je kristalna supstanca stabilna na vazduhu. Ima molekul kavezastog oblika. Najjednostavniji  fuleren ima šezdeset atoma ugljenika. Naredni imaju sedamdeset i više atoma. Kod furelena, svaki ugljenikov atom povezan je s tri susedna, tako da formiraju petočlane i šestočlane prstenove. 
Pored kristalnih, u prirodi postoje i amorfni oblici ugljenika, kao što su ugalj, čađ i aktivni ugalj. Kod ovih oblika ugljenik nije čist, već sadrži i druge elemente kao primese.